大型行星齿轮减速器齿轮断裂失效分析

论文摘要

某公司破碎设备上使用的KPBV150减速器二级行星轮运行两年发生断裂,引起太阳轮、行星架、箱体等其它零部件的变形、断裂,最终导致减速器失效。失效的齿轮是从内孔处开始断裂,因此首先对发生断裂的齿轮内孔表面进行了探伤,然后采用宏观观察、微观观察、化学成分分析等方法对断裂的减速器二级行星轮的断口进行断口分析,确定齿轮断裂的失效模式为高周疲劳断裂。裂纹源在齿轮的内孔次表面,并在该区域观察到材料存在凹坑缺陷,这种凹坑缺陷直接破坏了材料的连续性,降低了材料的力学性能,在外载的作用下,在凹坑缺陷附近产生应力集中,诱发裂纹萌生,并在随后的疲劳载荷作用下,疲劳裂纹扩展,最终导致该齿轮断裂失效。因此判定导致齿轮疲劳断裂失效的根本原因是齿轮材料存在凹坑缺陷。通过进行齿轮材料的力学性能试验,获得材料抵抗外载尤其是疲劳载荷的力学性能参数,作为预测齿轮结构疲劳寿命的材料参数依据。其中,通过对齿轮材料进行拉伸试验,获得齿轮材料的静强度、延伸率、断面收缩率等材料静强度性能参数。通过对齿轮材料进行疲劳试验,采用升降法获得材料的疲劳极限。通过对齿轮材料进行断裂性能试验,获得材料的断裂韧性、疲劳裂纹扩展门槛值等断裂性能参数,并通过对疲劳裂纹扩展试验数据的回归分析,拟合疲劳裂纹扩展公式。综合考虑实际运行情况下,齿轮传递的力矩以及齿轮内孔的过盈配合残余应力,通过基于ANSYS的有限元分析,计算齿轮内孔的实际应力。最后采用“损伤容限设计”的断裂力学理论,对齿轮结构的疲劳寿命进行预测。计算结果表明,疲劳裂纹扩展寿命要低于齿轮结构的实际运行寿命,说明基于材料凹坑缺陷的疲劳裂纹萌生寿命也是齿轮结构疲劳寿命的重要组成部分,要更精确的计算具有材料缺陷的齿轮结构疲劳寿命,还需对基于该种材料缺陷的疲劳裂纹萌生机理及模型进行进一步研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究的工程背景及意义
• 1.2 断口学
• 1.2.1 断口学的历史、研究现状及发展趋势
• 1.2.2 断裂失效分析在工程实践中的重要性
• 1.3 断裂力学
• 1.3.1 断裂力学的历史、研究现状及发展趋势
• 1.3.2 断裂科学在工程实践中的重要性
• 1.3.3 断口学与断裂学科相辅相成的发展关系
• 1.4 本文研究内容与创新点
• 1.4.1 本文研究的主要内容
• 1.4.2 特色及创新之处
• 第2章 疲劳断口分析理论基础及内容
• 2.1 疲劳断裂分析及其研究的重要性
• 2.2 疲劳断裂机理
• 2.2.1 疲劳裂纹的萌生机理
• 2.2.2 疲劳裂纹扩展的微观机理
• 2.2.3 疲劳条带的形成机理
• 2.3 疲劳断裂的影响因素
• 2.3.1 表面状态的影响
• 2.3.2 微观组织结构的影响
• 2.3.3 疲劳载荷的影响
• 2.3.4 外部环境的影响
• 2.4 疲劳断口分析的主要内容
• 第3章 减速器齿轮疲劳断口分析
• 3.1 断口的宏观形貌观察与分析
• 3.2 裂纹源区的微观形貌观察与分析
• 3.3 断口表面材料的化学成分及凹坑缺陷成因分析
• 3.4 裂纹扩展区微观形貌观察与分析
• 3.5 瞬断区的宏观、微观形貌观察与分析
• 3.6 齿轮内孔的微观形貌观察与分析
• 3.7 断口分析结论
• 第4章 齿轮材料拉伸及疲劳极限试验
• 4.1 齿轮材料拉伸试验
• 4.1.1 拉伸试验原理
• 4.1.2 齿轮材料拉伸试验数据统计与计算
• 4.2 齿轮材料疲劳极限试验
• 4.2.1 疲劳极限试验原理
• 4.2.2 齿轮材料疲劳极限试验数据统计与计算
• 第5章 齿轮材料断裂力学试验
• 5.1 齿轮材料断裂韧度试验
• 5.1.1 断裂韧度试验原理
• 5.1.2 齿轮材料断裂韧度试验数据统计与计算
• 5.2 齿轮材料疲劳裂纹扩展速率试验
• 5.2.1 疲劳裂纹扩展试验原理
• 5.2.2 齿轮材料疲劳裂纹扩展试验数据统计与计算
• 5.2.3 齿轮材料疲劳裂纹扩展门槛值计算
• 第6章 减速器齿轮疲劳寿命预测
• 6.1 基于ANSYS的齿轮结构有限元分析
• 6.2 齿轮结构疲劳裂纹扩展寿命预测
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢